本文提出一種基于STM32F4的嵌入式智能儀表模式的電能質(zhì)量監(jiān)測記錄分析儀設(shè)計方案，集基本電量測量、電能計量、電能質(zhì)量分析、電量監(jiān)視與記錄、事件報警與事件記錄等功能于一體，既可用于單相測量也可用于三線制和四線制配電網(wǎng)中的多相測量，能精確、可靠地記錄各個電量參數(shù)，提供用于評估工廠用電狀態(tài)和配電網(wǎng)質(zhì)量的重要數(shù)據(jù)。STM32F4是基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的32位高效數(shù)字信號控制器，支持單精度浮點運(yùn)算指令和增強(qiáng)型DSP處理指令，并具有杰出的動態(tài)功耗控制和豐富的片上資源，方便了硬件設(shè)計并降低了硬件成本，使設(shè)計更簡單可靠，具有較高的應(yīng)用價值。
電能質(zhì)量監(jiān)測分析記錄儀總體設(shè)計方案
電能質(zhì)量監(jiān)測記錄分析儀根據(jù)國家制定的電能質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)通過信號采樣AD轉(zhuǎn)換模塊采集電壓、電流，數(shù)字信號控制器獲 得采樣數(shù)據(jù)后進(jìn)行實時電參數(shù)計算和分析，將結(jié)果顯示到TFT液晶屏上，并根據(jù)計算出的參數(shù)觸發(fā)相應(yīng)的邏輯控制，通過SD卡、NAND FLASH和 鐵電存儲器記錄參數(shù)，提供4路模擬量輸出接口、1路RS485接口和1路以太網(wǎng)接口傳輸數(shù)據(jù)，提供USB接口用以轉(zhuǎn)存歷史數(shù)據(jù)，預(yù)留DB9打印接口擴(kuò)展微型打印機(jī)打印輸出歷史數(shù)據(jù)曲線。
系統(tǒng)主要功能
1、基本電量測量
可測量電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)及頻率等。
2、諧波測量
可測量高達(dá)63次的電壓和電流諧波含量。
3、需量計量
區(qū)間式和滑差式可選。
4、電能計量。
可計量多費(fèi)率的有功電能/無功電能/視在電能。
5、電能質(zhì)量分析
可分析相移角/相位角/總諧波失真電壓/總諧波失真電流/電壓諧波/電流諧波/失真電流強(qiáng)度/不對稱電壓/電流等。
6、電量監(jiān)視與記錄
可監(jiān)視并記錄負(fù)荷曲線、視在/有功/無功功率平均值/最小/最大值以及其他電量參數(shù)等。
7、事件報警與事件記錄
可對各個電量設(shè)置報警參數(shù)，包括最大事件數(shù)目/優(yōu)先級控制/可選擇的報警級別等，并可選擇是否記錄。
電能質(zhì)量監(jiān)測記錄分析儀硬件設(shè)計方案
1、STM32 F4數(shù)字信號控制器簡介
系統(tǒng)以意法半導(dǎo)體突出的以基于ARM Cortex M4為內(nèi)核的STM32F407ZET6高性能微控制器為核心，其工作頻率為168MHz，集成了單周期DSP指令和單精度浮點數(shù)運(yùn)算單元，內(nèi)置512MB閃存和192KB的SRAM，具有豐富的片上外設(shè)，包括本系統(tǒng)中用到的FSMC(可變靜態(tài) 存儲控制器)、SDIO接口、USB接口、以太網(wǎng)接口、I2C接口、UART接口和內(nèi)部時鐘等。較市場上同類微處 理器具有功能強(qiáng)，價格低，開發(fā)使用方便等優(yōu)勢。
2、數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計
前端采樣電路如圖2和圖3所示，電壓電流采樣選用高精度電壓電流互感器，其體積小、精度高、全封閉、隔離耐壓能力強(qiáng)。互感器將電壓電流轉(zhuǎn)換為小信號后，經(jīng)二階低通濾波送至AD芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。AD芯片選用高精度16位AD芯片ADS8568SPMR，基準(zhǔn)電壓2.5V，8通道同步采樣，轉(zhuǎn)換速率滿足系統(tǒng)對快速采樣轉(zhuǎn)換的需求，且信噪比達(dá)到91.5dB。
圖2 前端采樣電路(一)
圖3 前端采樣電路(二)
3、存儲設(shè)計
系統(tǒng)存儲分為以下四部分：
①NAND FLASH選用三星K9F1G08U0D，連接到微控制器FSMC的BANK2，具有128MB大容量存儲空間，用于存儲圖片、系統(tǒng)參數(shù)和各種事件，當(dāng)系統(tǒng)缺失SD卡時也用于電量記錄。
②SD卡采用微控制器片上SDIO接口實現(xiàn)，用于存儲歷史電量記錄數(shù)據(jù)，最大可支持4GB容量。
③U盤存儲通過物理層芯片USB3300-EZK與微控制器片上USB外設(shè)實現(xiàn)，用于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存及程序、圖庫、參數(shù)的現(xiàn)場升級。
④FRAM鐵電存儲器FM24C64B，通過I2C總線和微控制器連接，用于存儲實時電能數(shù)據(jù)并為 電量記錄提供斷電記憶功能。
4、顯示模塊設(shè)計
系統(tǒng)采用3.5 in16位色TFT液晶屏作為顯示輸出，其分辨率為320×240，能夠清晰地顯示數(shù)據(jù)和曲線。運(yùn)用RA8875作為顯示驅(qū)動芯片，提供低 成本的8080并列式微控制器接口，內(nèi)建768kB顯示內(nèi)存，支持2D的BTE引擎可處理大量圖形數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與傳送，同時內(nèi)建幾何圖形加速引擎，可 大量節(jié)省使用者軟件開發(fā)的時間，并提升微控制器軟件的執(zhí)行效率。
5、通信模塊設(shè)計
系統(tǒng)采用RS485和以太網(wǎng)兩種物理介質(zhì)組網(wǎng)通信。RS485通信接口采用高速光耦進(jìn)行隔離，穩(wěn)定通信波特率最高可達(dá)38.4 Kbit/s，并通過瞬態(tài)抑制二極管對接口做了過電壓保護(hù)，如圖4所示。
圖4 過電壓保護(hù)電路
以太網(wǎng)通信接口采用片上以太網(wǎng)外設(shè)通過 簡化介質(zhì)獨(dú)立接口(RMII)和外部快速物理層LAN8720 A芯片實現(xiàn)，RJ45接口內(nèi)部集成了1:1電壓比的信號變壓器，實現(xiàn)信號的隔離保護(hù)，提高通信的抗干擾性能，具體實現(xiàn)原理如圖5所示。
圖5 以太網(wǎng)通信接口電路
電能質(zhì)量監(jiān)測記錄分析儀軟件設(shè)計方案
1、系統(tǒng)軟件總體設(shè)計
軟件設(shè)計基于RealView MDK4.23開發(fā)平臺， 通過JLINK V8與目標(biāo)板連接調(diào)試代碼。系統(tǒng)流程圖如圖6所示，軟件主要由以下模塊組成：
①初始化及自檢模塊
負(fù)責(zé)系統(tǒng)各個功能模塊和所有參數(shù)的初始化及自檢，系統(tǒng)參數(shù)采用帶校驗因子的和校驗方式進(jìn)行自檢，并設(shè)有兩個備份區(qū)，當(dāng)參數(shù)校驗出錯時將獲取備份參數(shù)，如果兩份備份參數(shù)都無效，系統(tǒng)進(jìn)行故障報警并顯示故障碼，將系統(tǒng)出錯的概率降至最低。
②按鍵處理
負(fù)責(zé)6個功能按鍵的解析，并通過解析結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的操作。
③事件管理模塊
負(fù)責(zé)管理所有周期型和突發(fā)型事件，包括電量參數(shù)的計算、顯示處理、時鐘信號處理、存儲管理、邏輯控制、變送輸出和打印輸出等。
④RS485通信處理
負(fù)責(zé)通信數(shù)據(jù)的接收解包和發(fā)送打包，采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-RTU協(xié)議。
⑤以太網(wǎng)通信處理
負(fù)責(zé)以太網(wǎng)狀態(tài)的輪詢處理，并處理UDP和TCP數(shù)據(jù)報文，數(shù)據(jù)報文同樣采用Modbus RTU協(xié)議。
⑥中斷處理程序
負(fù)責(zé)進(jìn)行快速的AD采樣、RS485通信數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送以及邏輯處理。
2、采樣數(shù)據(jù)處理
①基本電量參數(shù)計算
系統(tǒng)對輸入的電壓電流信號進(jìn)行同步采樣， 避免了不同步采樣引起的相位誤差。每周波采樣256點，即采樣頻率為12800Hz。為了實時監(jiān)測每一個周波，處理器必須在一個周波之內(nèi)完成電量的計算，保證出現(xiàn)電壓和電流突變時能啟動錄波，記錄故障前4個周波和故障后5個周波的數(shù)據(jù)。
電壓、電流有效值計算公式為
，式中，x[n]為電壓、電流離散采樣值數(shù)組；N=256為每周波采樣點數(shù)，下同。有功功率計算公式為
，式中，u[n]為電壓采樣值數(shù)組；i[n]為電流采樣值 數(shù)組。無功功率計算方式分為跨相90°無功和自然 無功兩種方式，可通過系統(tǒng)參數(shù)選擇。其他基本 參數(shù)可通過以上參數(shù)計算得出，不再贅述。②電能質(zhì)量參數(shù)計算
諧波的測量在電能質(zhì)量分析中至關(guān)重要，在進(jìn)行數(shù)字采樣頻譜分析時，由于電網(wǎng)頻率的波動，如果采用固定頻率采樣，就會造成非整周期采樣，引起頻譜泄漏。系統(tǒng)測量諧波范圍為1-63 次諧波，由高次諧波頻譜泄漏造成測量的誤差往往較小，而基波的頻譜泄漏對臨近的低次諧波影 響較大，因此本系統(tǒng)采用軟件頻率跟蹤技術(shù)，根據(jù)測得的頻率實時調(diào)整采樣周期以確保采樣周期的完整性，使得通過FFT計算的諧波精度達(dá)到國際B類要求。
為了區(qū)別暫態(tài)現(xiàn)象和諧波，每次測量結(jié)果可取3s內(nèi)的平均值。計算公式為
，式中，Uhk為3s內(nèi)第k次測得的h次諧波的均方根值；m≥6為3s內(nèi)取均勻間隔的測量次數(shù)。電壓諧波含有率計算公式為
，式中，U1為基波電壓；Uh為第h次諧波電壓。電壓總諧波畸變率為
，式中，H為諧波某特定階數(shù)，這里取63。相應(yīng)的電流參數(shù)以此類推，此外系統(tǒng)還可提供電流電壓波峰系數(shù)、電流K系數(shù)等參數(shù)作為電能質(zhì)量優(yōu)劣的參考。
3、電量記錄
系統(tǒng)能記錄測量到的基本電量參數(shù)，記錄的間隔固定為1s。系統(tǒng)不間斷的向鐵電存儲器寫入記錄的數(shù)據(jù)(斷電后在上電初始化時將數(shù)據(jù)補(bǔ)足)，當(dāng)數(shù)據(jù)量達(dá)到4kB字節(jié)時再以文件形式寫入NAND FLASH，若NAND FLASH存儲空間已經(jīng)寫滿，將寫入外部存儲器SD卡，若SD卡未檢測到，將循環(huán)覆蓋NAND FLASH空間。
本文介紹昌暉儀表的電能質(zhì)量監(jiān)測記錄分析儀的硬件和軟件實現(xiàn)方法。采用具有DSP和浮點運(yùn)算單元的STM32F4微處理器及16位高速同步采樣AD芯片，保證了系統(tǒng)的處理速度和數(shù)據(jù)采樣速度，提供了全面的、高精度的電網(wǎng)參數(shù)，并充分利用微處理器片上資源，提供豐富靈活的外 部接口，既降低了硬件成本和研發(fā)投入也方便了用戶使用。總之，該系統(tǒng)具有功能全面、測量精準(zhǔn)、操作便捷和易于安裝等優(yōu)勢，有著十分廣闊的應(yīng)用前景。
